DE112013006240T5 - Multi-layer thin film for cutting tool and cutting tool with it - Google Patents
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Abstract
Vorgesehen ist eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug, bei der mikroskalige Dünnschichten mit einer Dicke von wenigen Nanometern bis zu Zehnteln von Nanometern abwechselnd aufeinander gestapelt werden, die weniger Qualitätsunterschiede aufweist und dazu in der Lage ist, eine hervorragende Verschleißfestigkeit zu realisieren. Die mehrlagige Dünnschicht gemäß der vorliegenden Offenlegungsschrift ist eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug, bei der Dünnschichteinheiten, die jeweils aus den Dünnschichten A, B, C, und D bestehen, mehr als einmal übereinander gestapelt werden, wobei die Elastizitätsmodule k der Dünnschichten die Verhältnisse kA > kB, kD > kC oder kC > kB, kD > kA erfüllen, die Gitterparameter L der Dünnschichten die Verhältnisse LA, LC > LB, LD oder LB, LD > LA, LC erfüllen, und eine Differenz zwischen den maximalen Werten und den minimalen Werten der Gitterparameter L 20 % oder weniger beträgt.There is provided a multi-layer thin film for a cutting tool in which micro-scale thin films ranging in thickness from a few nanometers to tenths of nanometers are stacked alternately, which has less quality differences and is capable of realizing excellent wear resistance. The multilayer thin film according to the present disclosure is a multilayer thin film for a cutting tool in which thin film units each consisting of the thin films A, B, C, and D are stacked more than once, wherein the moduli of elasticity of the thin films are KA > kB, kD> kC or kC> kB, kD> kA, the lattice parameters L of the thin films satisfy the ratios LA, LC> LB, LD or LB, LD> LA, LC, and a difference between the maximum values and the minimum ones Values of the lattice parameter L is 20% or less.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Offenlegungsschrift betrifft eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug und insbesondere eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug, bei der eine Übergitter-Dünnschicht mit einer Dicke von wenigen Nanometern bis zu Zehnteln von Nanometern in der Form von A-B-C-D oder A-B-C-B gestapelt ist, die weniger Qualitätsunterschiede aufweist und dazu in der Lage ist, eine hervorragende Verschleißfestigkeit zu realisieren.The present disclosure relates to a multi-layer thin film for a cutting tool, and more particularly to a multi-layer thin film for a cutting tool in which a superlattice thin film having a thickness of a few nanometers to tenths of nanometers is stacked in the form of ABCD or ABCB having less quality differences and is able to realize excellent wear resistance.
Stand der TechnikState of the art
Seit Ende der 1980er Jahre sind verschiedene TiN-basierte Mehrschichtfilmsysteme vorgeschlagen worden, um Materialien für ein Schneidwerkzeug mit einer großen Härte zu entwickeln.Since the late 1980s, various TiN-based multi-layer film systems have been proposed to develop materials for a cutting tool with a high hardness.
So bildet beispielsweise ein Mehrschichtfilm, der durch abwechselndes und wiederholtes Übereinanderstapeln von TiN oder VN zu einer Dicke von wenigen Nanometern gebildet wird, ein sogenanntes Übergitter mit einem einzigen Gitterparameter und kohärenten Schnittflächen zwischen den Schichten anstatt von Unterschieden in den Gitterparametern der einzelnen Schichten. Mit dieser Beschichtung kann eine doppelt so hohe oder noch größere Härte im Vergleich zu der allgemeinen Härte jeder einzelnen Schicht erzielt werden, so dass es inzwischen zahlreiche Versuche gab, dieses Phänomen für die Beschichtung von Schneidwerkzeugen zu nutzen.For example, a multilayer film formed by alternately and repeatedly stacking TiN or VN to a thickness of a few nanometers forms a so-called superlattice having a single lattice parameter and coherent intersectional areas instead of differences in the lattice parameters of the individual layers. With this coating, twice as high or even greater hardness compared to the general hardness of each individual layer can be achieved, so that there have been numerous attempts to use this phenomenon for the coating of cutting tools.
Zu Beispielen für Verstärkungsmechanismen, die für diese Übergitter-Beschichtungen verwendet werden, zählen Koehlers Modell, die Hall-Petch-Beziehung und ein Kohärenz-Spannunsgmodell, und diese Verstärkungsmechanismen beziehen sich auf einen Härteanstieg durch einen Unterschied zwischen den Gitterparametern von A und B, einen Unterschied zwischen den Elastizitätsmodulen von A und B und die Steuerung der Stapelperioden von A und B bei einer abwechselnden Aufbringung der Materialien A und B.Examples of reinforcement mechanisms used for these superlattice coatings include Koehler's model, the Hall-Petch relationship, and a coherence-strain model, and these reinforcement mechanisms refer to a hardness increase by a difference between the lattice parameters of A and B, a Difference between the moduli of elasticity of A and B and the control of the stacking periods of A and B with an alternating application of materials A and B.
Grundsätzlich ist es schwierig, durch das abwechselnde Stapeln von zwei Materialien zwei oder mehr Verstärkungsmechanismen anzuwenden. Insbesondere bereitet die Herstellung einer mehrlagigen Dünnschicht mit hervorragenden Verschleißeigenschaften und einer gleich bleibenden Qualität unter den Bedingungen der Massenfertigung Schwierigkeiten, bei der große Abweichungen in einer Stapelperiode der mehrlagigen Dünnschicht sowohl zwischen den verschiedenen Chargen als auch innerhalb einer Charge bestehen.Basically, it is difficult to apply two or more reinforcing mechanisms by alternately stacking two materials. In particular, the production of a multi-layer thin film having excellent wear characteristics and consistent quality under the conditions of mass production poses difficulties in which large deviations in a stacking period of the multi-layer thin film exist both between the various batches and within a batch.
Wie in
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Technische AufgabeTechnical task
Das Ziel der vorliegenden Offenlegungsschrift besteht darin, während der Herstellung der mehrlagigen Dünnschicht aus einem Übergitter eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug bereitzustellen, die gegenüber konventionellen Übergitter-Beschichtungen eine bessere Verschleißfestigkeit aufweist, und ein mit der mehrlagigen Dünnschicht beschichtetes Schneidwerkzeug, durch Anpassen einer Gitterperiode und einer elastischen Periode der mehrlagigen Dünnschicht, so dass zwei oder mehr Dünnschicht-Verstärkungsmechanismen auf die mehrlagige Dünnschicht wirken.The object of the present disclosure is to provide a multilayer thin film for a cutting tool having superior wear resistance over conventional superlattice coatings during manufacture of the multilayer thin film from a superlattice, and a multi-layer thin film coated cutting tool, adjusting a grating period and an elastic period of the multilayer thin film so that two or more thin film reinforcing mechanisms act on the multilayer thin film.
Technische LösungTechnical solution
Um die oben genannte technische Aufgabe zu lösen, sieht die vorliegende Offenlegungsschrift eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug vor, bei der Dünnschichteinheiten, die jeweils aus den Dünnschichten A, B, C, und D bestehen, mehr als einmal übereinander gestapelt werden, wobei die Elastizitätsmodule k der Dünnschichten die Verhältnisse kA > kB, kD > kC oder kC > kB, kD > kA erfüllen, die Gitterparameter L der Dünnschichten die Verhältnisse LA, LC > LB, LD oder LB, LD > LA, LC erfüllen, und eine Differenz zwischen den maximalen Werten und den minimalen Werten der Gitterparameter L 20 % oder weniger beträgt.In order to achieve the above technical object, the present disclosure provides a multilayer thin film for a cutting tool in which thin film units each consisting of the thin films A, B, C, and D are stacked more than once, the elastic moduli k of the thin films, the ratios k A> B k, k satisfy D> k A, the lattice parameter L k D> k C or C k> k B, of the thin films satisfy the ratios L A , L C > L B , L D or L B , L D > L A , L C , and a difference between the maximum values and the minimum values of the lattice parameters L is 20% or less.
Bei der mehrlagigen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Offenlegungsschrift kann eine durchschnittliche Gitterperiode lL der mehrlagigen Dünnschicht die Hälfte einer durchschnittlichen elastischen Periode lk davon betragen.In the multilayer thin film according to the present disclosure, an average grating period l L of the multilayer thin film may be one half of an average elastic period l k thereof.
Bei der mehrlagigen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Offenlegungsschrift kann die Dünnschichteinheit eine Dicke von 4 bis 50 nm und vorzugsweise 10 bis 30 nm aufweisen.In the multilayer thin film according to the present disclosure, the thin film unit may have a thickness of 4 to 50 nm, and preferably 10 to 30 nm.
Bei der mehrlagigen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Offenlegungsschrift können die Dünnschichten B und D aus demselben Material bestehen.In the multilayer thin film according to the present disclosure, the thin films B and D may be made of the same material.
Darüber hinaus sieht die vorliegende Offenlegungsschrift ein Schneidwerkzeug vor, dessen Oberfläche mit der mehrlagigen Dünnschicht beschichtet ist.In addition, the present disclosure provides a cutting tool whose surface is coated with the multilayer thin film.
Vorteilhafte EffekteAdvantageous effects
Gemäß der vorliegenden Offenlegungsschrift können beim Formen einer mehrlagigen Übergitter-Dünnschicht solcher Art, dass vier oder mehr Dünnschichteinheiten zu einem Film laminiert werden und der laminierte Film anschließend wiederholt zu zwei oder mehr Schichten gestapelt wird, Veränderungen in Stapelperioden der Elastizitätsmodule und der Gitterparameter entsprechend der Stapelperiode der Dünnschichteinheit kontrolliert werden, wie in
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsmodus der ErfindungEmbodiment mode of the invention
Nachfolgend wird die vorliegende Offenlegungsschrift ausführlich auf Basis von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben, wobei die erfinderische Idee nicht auf die unten stehenden Ausführungsbeispiele beschränkt ist.Hereinafter, the present disclosure will be described in detail based on preferred embodiments, and the inventive idea is not limited to the embodiments below.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung fanden heraus, dass, wenn sich eine elastische Periode und eine Gitterperiode beim Stapeln einer Dünnschichteinheit unterschiedlich zueinander verhalten, anstatt sich zu decken, zwei oder mehr Verstärkungsmechanismen (d. h. der Mechanismus des Koehler's Modell und der Mechanismus der Hall-Petch-Beziehung) effektiv wirken können, insbesondere bei einer laminierten Übergitter-Dünnschicht, wodurch die Verschleißfestigkeit der mehrlagigen Dünnschicht verbessert wird, während gleichzeitig die Qualitätsschwankungen bei der Massenfertigung gegenüber einer mehrlagigen Dünnschicht reduziert werden können, bei der hauptsächlich ein einziger Verstärkungsmechanismus wirkt, und schlossen damit die vorliegende Erfindung ab.The inventors of the present invention found that, when an elastic period and a grating period when stacking a thin film unit behave differently from each other instead of coinciding, two or more amplification mechanisms (ie, the mechanism of the Koehler's model and the mechanism of the Hall-Petch). Relationship), particularly in a laminated superlattice film, whereby the wear resistance of the multilayer film is improved, while at the same time reducing quality variations in mass production over a multilayer film in which mainly a single reinforcing mechanism acts, thus completing the present invention.
Die mehrlagige Dünnschicht gemäß der vorliegenden Offenlegungsschrift ist eine mehrlagige Dünnschicht für ein Schneidwerkzeug, bei der eine Dünnschicht, die durch sequenzielles Stapeln von Dünnschichteinheiten gebildet wird, welche jeweils aus den Dünnschichten A, B, C, und D bestehen, wiederholt zu zwei oder mehr Schichten übereinander gestapelt wird, wobei die Elastizitätsmodule k der Dünnschichteinheiten die Verhältnisse kA > kB, kD > kC oder kC > kB, kD > kA erfüllen, die Gitterparameter L der Dünnschichteinheiten die Verhältnisse LA, LC > LB, LD oder LB, LD > LA, LC erfüllen, und eine Differenz zwischen den maximalen Werten und den minimalen Werten der Gitterparameter L 20 % oder weniger beträgt. The multilayer thin film according to the present disclosure is a multilayer thin film for a cutting tool in which a thin film formed by sequentially stacking thin film units each consisting of the thin films A, B, C, and D repeats into two or more layers stacked on top of each other, wherein the moduli of elasticity k of the thin-film units satisfy the ratios k A > k B , k D > k C or k C > k B , k D > k A , the lattice parameters L of the thin-film units are L A , L C > L B , L D or L B , L D > L A , L C , and a difference between the maximum values and the minimum values of the lattice parameters L is 20% or less.
In dem Koehler-Modell zum Elastizitätsmodul ist beschrieben, dass der Verstärkungseffekt dann entsteht, wenn die Dicke der Dünnschichten A und B so klein wird, dass sie weniger oder gleich 20 bis 30 nm wird, entsprechend einer Dicke von etwa 100 Atomschichten, wobei es sich um eine kritische Dicke handelt, bei der es schwierig ist, eine Versetzung zu erzeugen. Die erfinderische Idee besteht darin, dass die elastische Periode und die Gitterparameterperiode in Nichtübereinstimmung zueinander angepasst werden, so dass die zwei Verstärkungseffekte erzeugt werden können.In the Koehler elastic modulus model, it is described that the reinforcing effect arises when the thickness of the thin films A and B becomes so small as to become less than or equal to 20 to 30 nm, corresponding to a thickness of about 100 atomic layers is a critical thickness at which it is difficult to produce a dislocation. The inventive idea is that the elastic period and the lattice parameter period are adjusted in disagreement with each other so that the two amplification effects can be generated.
Ferner ist es schwierig, das Übergitter zu bilden, wenn die Differenz zwischen den maximalen Werten und den minimalen Werten des Gitterparameters L größer als 20 % ist. Daher wird der Gitterparameter vorzugsweise so angepasst, dass die Differenz in dem Bereich von 20 %, oder wenn möglich weniger liegt.Further, it is difficult to form the superlattice when the difference between the maximum values and the minimum values of the lattice parameter L is larger than 20%. Therefore, the grating parameter is preferably adjusted so that the difference is in the range of 20%, or less if possible.
Bei der mehrlagigen Dünnschicht gemäß der vorliegenden Offenlegungsschrift ist vorgesehen, dass die Dünnschichteinheiten aus vier Schichten bestehen und das Stapeln jeder Dünnschichteinheit in der Reihenfolge A-B-C-D oder A-B-C-B erfolgt. Das heißt, dass die zweite und vierte Schicht aus unterschiedlichen Materialien oder demselben Material geformt sein können.In the multilayer thin film according to the present disclosure, it is provided that the thin film units consist of four layers, and the stacking of each thin film unit is performed in the order of A-B-C-D or A-B-C-B. That is, the second and fourth layers may be formed of different materials or the same material.
Des Weiteren fällt eine Differenz zwischen einer durchschnittlichen elastischen Periode und einer durchschnittlichen Gitterparameterperiode in den Geltungsbereich der vorliegenden Offenlegungsschrift, und vorzugsweise ist die durchschnittliche elastische Periode doppelt so breit wie die durchschnittliche Gitterperiode.Further, a difference between an average elastic period and an average lattice parameter period falls within the scope of the present disclosure, and preferably, the average elastic period is twice as wide as the average lattice period.
[Beispiel][Example]
Vor dem Bilden einer mehrlagigen Übergitter-Dünnschicht, bei der eine Dünnschicht aus vier Dünnschichteinheiten wiederholt zu zwei oder mehr Schichten gestapelt wird, wurde eine einlagige Dünnschicht aufgebracht, um den Elastizitätsmodul jeder Dünnschichteinheit zu messen und den Elastizitätsmodul jeder Dünnschichteinheit zu bestätigen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.Before forming a multilayer superlattice thin film in which a thin film of four thin film units is repeatedly stacked into two or more layers, a single-layer thin film was applied to measure the Young's modulus of each thin film unit and to confirm the Young's modulus of each thin film unit. The results are shown in Table 1.
Zum Aufbringen der Dünnschichteinheit wurde die Lichtbogenionenplattierung eingesetzt, bei der sich um ein Vakuumaufdampfverfahren (PVD) handelt. Der Anfangsvakuumdruck wurde auf 8,5 × 10–5 Torr oder weniger gesenkt, anschließend wurde N2 als ein Reaktionsgas eingeleitet, und die Beschichtung erfolgte unter der Bedingung eines Reaktionsgasdrucks von 40 mTorr oder weniger (vorzugsweise 10 bis 35 mTorr), einer Temperatur von 400 bis 600 °C und einer Substrat-Vorspannung von –30 bis –150 V. Tabelle 1
Die Gitterparameter der einzelnen Dünnschichteinheiten, welche die mehrlagige Dünnschicht bilden, können unter Verwendung einer Röntgenbeugungsanalyse nach dem Bilden der einlagigen Dünnschicht ermittelt werden, doch wurden die Gitterparameter der einzelnen Dünnschichteinheiten in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenlegungsschrift unter Verwendung von Atomradius, Ionenradius und Kovalenzradius bestimmt, die aus vorhandenen Experimenten und Theorien stammten. Speziell der Gitterparameter wurde durch quantitative Anwendung des Kovalenzradius auf eine B1 HCP-Struktur entsprechend dem Atomverhältnis berechnet.The lattice parameters of the individual thin film units forming the multilayer thin film can be determined by using X-ray diffraction analysis after forming the single-layer thin film, but the lattice parameters of the individual thin film units in the embodiment of the present disclosure were determined using atomic radius, ion radius and covalent radius came from existing experiments and theories. Specifically, the lattice parameter was calculated by quantitatively applying the covalent radius to a B1 HCP structure in accordance with the atomic ratio.
Wie in
[Gleichung 1][Equation 1]
-
Gitterparameter: a = 4,24 Å – 0,125 x Å (x ist ein Molverhältnis von Aluminium)Lattice parameters: a = 4.24 Å - 0.125 x Å (x is a molar ratio of aluminum)
Beispiel 1example 1
In Beispiel 1 der vorliegenden Offenlegungsschrift wurde die Herstellung einer TiAlN-basierten mehrlagigen Dünnschicht nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenlegungsschrift mit der Herstellung einer TiAlN-basierten mehrlagigen Dünnschicht nach einem konventionellen Verfahren verglichen.In Example 1 of the present disclosure, the production of a TiAlN-based multilayer thin film according to the method of the present disclosure was compared with the production of a TiAlN-based multilayer thin film according to a conventional method.
Die Stapelstrukturen und Zusammensetzungen der mehrlagigen Dünnschicht wurden festgelegt, wie in Tabelle 2 unten dargestellt. Eine Dünnschicht, bestehend aus vier Dünnschichteinheiten, wurde insgesamt 180 mal wiederholt gestapelt, so dass eine durchschnittliche Gitterperiode 5 bis 10 nm betrug und die elastische Periode 10 bis 20 nm betrug, und so eine mehrlagige Dünnschicht mit einer endgültigen Schichtdicke von 2,6 bis 3,2 µm erhalten wurde. In diesem Fall wurde A30 (Modell Nr. SPKN1504EDSR), bei dem es sich um ein P30-Material handelt, das bei Korloy erhältlich ist, als ein Substrat verwendet, auf das die mehrlagige Dünnschicht aufgebracht wurde. Tabelle 2
In Tab. 2 lautet die Einheit des Gitterparameters Å und die Einheit des Elastizitätsmoduls ist GPa.In Table 2, the unit of the lattice parameter is Å and the unit of elastic modulus is GPa.
Für die Evaluation der Schneidleistung der wie oben aufgebrachten mehrlagigen Dünnschicht wurde SKD11 (Breite: 100 mm, Länge: 300 mm) als Werkstück verwendet, und die Zerspanung erfolgte unter trockenen Bedingungen bei einer Schnittgeschwindigkeit von 250 m/Min., einem Vorschub pro Zahn von 0,2 mm/Zahn und einem Vorschub von 2 mm. Die Schneidleistung wurde durch Vergleichen des Verschleißes nach dem Zerspanen von 900 mm evaluiert. Die Ergebnisse sind in
Wie in
Beispiel 2Example 2
In Beispiel 2 der vorliegenden Offenlegungsschrift wurde die Herstellung einer AlCr-basierten mehrlagigen Dünnschicht nach dem Verfahren gemäß der vorliegenden Offenlegungsschrift mit der Herstellung einer AlCr-basierten mehrlagigen Dünnschicht nach einem konventionellen Verfahren verglichen.In Example 2 of the present disclosure, the production of an AlCr-based multi-layer thin film according to the method of the present disclosure was compared with the production of an AlCr-based multi-layer thin film by a conventional method.
Die Stapelstrukturen und Zusammensetzungen der mehrlagigen Dünnschicht wurden festgelegt, wie in Tabelle 3 unten dargestellt. Eine Dünnschicht, bestehend aus vier Dünnschichteinheiten, wurde insgesamt 180 mal wiederholt gestapelt, so dass eine durchschnittliche Gitterperiode 5 bis 10 nm betrug und die elastische Periode 10 bis 20 nm betrug, und so eine mehrlagige Dünnschicht mit einer endgültigen Schichtdicke von 2,3 bis 2,6 µm erhalten wurde. In diesem Fall wurde ein K44UF-Material (Modell Nr. BE2060), erhältlich bei KFC Co., als Substrat verwendet, auf das die mehrlagige Dünnschicht aufgebracht wurde. Tabelle 3
In Tab. 3 lautet die Einheit des Gitterparameters Å und die Einheit des Elastizitätsmoduls ist GPa.In Table 3, the unit of the lattice parameter is Å and the unit of elastic modulus is GPa.
Für die Evaluation der Schneidleistung der wie oben aufgebrachten mehrlagigen Dünnschicht wurde SM45C (Breite: 90 mm, Länge: 300 mm) als Werkstück verwendet, und die Zerspanung erfolgte unter trockenen Bedingungen bei einer Schnittgeschwindigkeit von 250 m/Min., einem Vorschub pro Zahn von 0,2 mm/Zahn und einem Vorschub von 2 mm. Der Verschleiß wurde nach dem Zerspanen von 12.000 Millimetern verglichen. Die Ergebnisse sind in
Wie in
Das heißt, dass eine mehrlagige Übergitter-Dünnschicht, die solcherart gestapelt wird, dass die elastische Periode und die Gitterperiode gemäß der vorliegenden Offenlegungsschrift gesteuert werden, bessere Verschleißeigenschaften gegenüber anderen Fällen aufweist.That is, a multilayer superlattice thin film stacked such that the elastic period and the grating period are controlled according to the present disclosure has better wear properties over other cases.
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